跳到主要内容

主题

先进的材料

先进的材料

量子效应为电子创造了“多车道高速公路”

13 Jan 2021
量子异常霍尔效应等。/性质)" />
多车道高速公路:顶部面板显示了磁性和非磁性拓扑绝缘子的堆叠交替层,此处显示为堆叠的乐高积木。这允许将Chern数从1更改为5。底部面板显示了纵向电阻(红色)和霍尔电阻(蓝色)的实验测量值,证明了车恩数为1至5的QAH效应。 (礼貌:赵 等。/性质)

一种新型的多层拓扑绝缘体使美国的研究人员能够在不损失能量的情况下获得快速,高效的电子电流。 张翠祖 宾夕法尼亚州立大学的同事和他们的同事说,他们已经利用量子异常霍尔(QAH)效应为电子创建了一条“多车道高速公路”,可以在其中微调电流。通过进一步的改进,他们的设计可能会导致量子计算和小型电子电路方面的新进展。

QAH效应是2013年首次通过实验观察到的,它是某些拓扑绝缘体的主要特征-大部分是电绝缘体,但在其表面或边缘却具有出色的导体。具体而言,该效果与掺杂了磁性杂质的2D拓扑绝缘体有关。即使在没有磁场的情况下,这些材料中的电子也会沿着样品边缘沿一个方向流动,实际上没有能量作为热量散发。此属性类似于高速公路在道路两侧双向自由流动的公路。最近,物理学家热衷于利用这种效应来提高电子电路中信息传输的速度和效率。因为这种自由流动可以保留电子中编码的量子信息,所以QAH效应可能被证明可用于未来的量子计算机。

Chang的团队创建了QAH绝缘子堆栈,其中包含磁性和非掺杂非磁性拓扑绝缘子的交替层。他们的目的是增加材料的“ Chern数”:一个值,定义了沿样品边缘受到完全拓扑保护的通道的数量。常规QAH绝缘子的Chern数为1,但研究人员在新设计中获得的数值为5。这种结构不是简单的道路,而是类似于多车道的高速公路,在多车道的高速公路上,电子可以沿五个方向在每个方向上流动。

微调

在证明了这种效果之后,Chang及其同事还展示了如何通过改变磁性层的掺杂浓度或改变绝缘层的厚度来调节QAH绝缘子的Chern数。尽管进行了这些修改,该团队仍能够在每个边缘通道上保持零能量耗散,即使有大量电子流量也是如此。

当前设计的一个缺点是必须将设备冷却至接近绝对零值,从而阻止了实际应用。该团队现在正在开发可以在更高温度下运行的更先进的材料。他们还在寻找实时调整Chern数的方法。如果这些努力得以实现,多层QAH绝缘子将在高容量,小型电子设备等领域得到应用。这些材料甚至可以用在未来的量子计算机中,其中电子被用来沿众多不同的通道传输量子信息。

该研究描述于 性质.

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年